转速反馈单闭环直流调速系统仿真-九江学院_new重点解读.doc

计算机仿真技术作业一 题目：转速反馈单闭环直流调速系统仿真 直流电机模型框图如下图所示，仿真参数为R=0.6，Tl=0.00833，Tm=0.045，Ce=0.1925。本次仿真采用算法为ode45，仿真时间5s。 直流电机模型 一、开环仿真： 1、实验要求： 用simulink实现上述直流电机模型，直流电压Ud0取220V， 0~2.5s，电机空载，即Id=0； 2.5s~5s，电机满载，即Id=55A。 画出转速n的波形，根据仿真结果求出空载和负载时的转速n以及静差率s。改变仿真算法，观察效果（运算时间、精度等）。 2、实验内容： 按照下图建立电机模型，其中Ud0设置为常数，幅值为220；Id设置为“阶跃信号”（step），且在0~2.5s之间其幅值为0，而2.5~5s之间其幅值为55，其它环节参数均按要求设置。为了观察输出波形，在输出处接上示波器。仿真时间设置为5s。系统默认算法为ode45。模型如下： 3、针对不同仿真算法进行仿真分析 默认仿真算法ode45： 运算时间：0.39s 由图可知，仿真分为两个阶段，第一阶段（0-2.5s）为空载转速，第二阶段（2.5-5s）为负载转速。空载转速为1143r/min，负载转速为971.4r/min。由此可见，在加入负载后，电机的转速下降。根据电机转差率的公式。转差率较小，说明该电机效率比较高。 ode45是基于显式Rung-Kutla (4,5) 和Dormand- Prince 组合的算法，它是一种一步解法，即只要知道前一时间点的解y(tn-1)，就可以立即计算当前时间点的方程解y (tn)。对大多数仿真模型来说，首先使用ode45 来解算模型是最佳的选择，所以在SIMULINK 的算法选择中将ode45 设为默认的算法。 （2）ode113算法：运算时间：0.41s odel13是可变阶数的Adams-Bash forth-Moulton PECE 算法，在误差要求很严时，odel13 算法较ode45 更适合。odel13 是一种多步算法，也就是需要知道前几个时间点的值，才能计算出当前时间点的值。仿真结果大致和上面几种运算方法的结果一致。但运算时间比上述三种方法的运算时间都要长。且系统振荡频率过大，稳定性变差。 （3）ode15s算法: 运算时间: 0.34s ode15s是一种基于数字微分公式的解法器（NDFs），它相对BDFs 算法较好。它是一种多步算法，适用于刚性系统，当用户估计要解决的问题是比较困难的，或者不能使用ode45，或者即使使用效果也不好，就可以用ode15s。由于它是一种多步解法器，所以运算时间相对长一点，这种运算方法的精度中等。仿真结果值基本上与上述仿真算法的结果相同，且更加稳定。 （4）ode23tb算法: 运算时间: 0.45s ode23tb采用TR-BD F2算法，即在龙格.库塔法的第一阶段用梯形法，第二阶段用二阶的Backward Differentiation Formulas 算法。从结构上讲，两个阶段的估计都使用同一矩阵。在容差比较大时， ode23tb 和ode23t 都比ode15s 要好。 二、闭环仿真： 在上述仿真基础上，添加转速闭环控制器，转速指令为1130rpm， 0~2.5s，电机空载，即Id=0； 2.5s~5s，电机满载，即Id=55A。 (1)控制器为比例环节：试取不同kp值，画出转速波形，求稳态时n和s并进行比较。 (2)控制器为比例积分环节，设计恰当的kp和kI值，并与其它不同的kp和kI值比较，画出不同控制参数下的转速波形，比较静差率、超调量、响应时间和抗扰性。 图2 转速闭环直流电机调速控制框图 搭建simulink仿真模型如下图所示： 1、控制器为比例环节 （1）Kp=1时：右图为纵向放大 由图可知，理想空载转速n0为947.7 rpm，带载后的转速n为920 rpm，转差率：。 （2）Kp=5时：右图为纵向放大 由图可知，理想空载转速n0为1088rpm，带载后的转速n为1083rpm，转差率： （3）Kp=50时：右图为纵向放大 由图可见，n=n0，约为1125rpm，几乎能够跟踪上给定转速1130 rpm，但由纵向放大图可知此时震荡过大，系统不稳定。 2、控制器为比例积分环节 （1）Kp=1，Ki=1时：右图为横向放大 由图可知，理想空载转速n0为1108 rpm，带载后的转速n为1092rpm,最高转速ntp为1123 rpm，加入负载的瞬时转速为1072 rpm。 转差率： 最大超调量： 抗干扰： 峰值时间为0.03s，调节时间为0.5s，抗干扰能力较好。但静差率过大，电机效率低。 Kp=10，Ki=1时：右图为横向放大